阅读说明：本技术 一种基于WO3的Sagnac干涉型光纤氢气传感器 (Based on WO3Sagnac interference type optical fiber hydrogen sensor ) 是由 俞建杰 刘姝仪 马才伟 张焱 胡传舟 高文元 梁正 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于WO-(3)的Sagnac干涉型光纤氢气传感器,由宽带光源,光谱仪,单模光纤,光纤耦合器,FC光纤连接器,气室,气体流量控制器,氢气发生器,空气泵,掺催化剂的WO-(3)/SiO-(2)混合膜,PDMS,由飞秒激光刻写倾斜角为1.5°的光纤波导,无芯光纤组成。宽带光源发出的光通过单模光纤进入光纤耦合器,后被分成顺时针和逆时针方向的两列光波分别经FC光纤连接器传播,通过涂附掺催化剂的WO-(3)/SiO-(2)混合膜包裹的带有由飞秒激光刻写倾斜角为1.5°的光纤波导的无芯光纤,传输一周后,两列光波在光纤耦合器透射端处汇合并发生干涉。氢气浓度发生变化时,PDMS利用热膨胀性质改变无芯光纤表面折射率,通过计算产生的光程差,测得氢气浓度及其变化量。(The invention discloses a method based on WO 3 The Sagnac interference type optical fiber hydrogen sensor consists of a broadband light source, a spectrometer, a single-mode optical fiber, an optical fiber coupler, an FC optical fiber connector, an air chamber, a gas flow controller, a hydrogen generator, an air pump and WO doped with a catalyst 3 /SiO 2 The mixed film, PDMS, was composed of a femtosecond laser written fiber waveguide with an inclination angle of 1.5 degrees, and a coreless fiber. Light emitted by a broadband light source enters an optical fiber coupler through a single-mode optical fiber, is divided into two lines of light waves in clockwise and anticlockwise directions, is respectively transmitted through an FC optical fiber connector, and passes through WO coated with a doped catalyst 3 /SiO 2 After the coreless optical fiber wrapped by the mixed film and provided with the optical fiber waveguide with the inclination angle of 1.5 degrees is etched by femtosecond laser, two rows of light waves are converged at the transmission end of the optical fiber coupler and generate interference after being transmitted for one week. When the hydrogen concentration changes, the PDMS changes the refractive index of the surface of the coreless optical fiber by utilizing the thermal expansion property, and the hydrogen concentration and the change thereof are measured by calculating the generated optical path difference.)

一种基于WO3的Sagnac干涉型光纤氢气传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于WO₃的Sagnac干涉型光纤氢气传感器。

背景技术

1913年萨格纳克发明了环形干涉仪，并总结了工作原理即将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉，当在环路平面内有旋转角速度时，屏幕上的干涉条纹将会发生移动。

光纤光栅特别是布拉格光栅，以其低插入损耗，易于集成，稳定性好等优点被广泛应用于光纤传感领域，成为了不可缺少的光学元件。

WO₃/SiO₂粉末用作敏感区域，当传感器暴露在混有氢气的空气中时，氧化还原反应会导致环境温度升高，导致由于PDMS的热膨胀导致传感部分形状变化。

光波导由光透明介质构成的传输光频电磁波的导行结构。光波导的传输原理不同于金属封闭波导，在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。多模和单模光纤已成功地应用于通信。光纤的传输特性对外界的温度因素敏感，因而可制成光纤传感器，用于测量温度.

聚二甲基硅氧烷(PDMS)，是有机硅的一种，因其成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点，已大量应用于光纤传感领域。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于以萨格纳克干涉结构为传感器主要结构，利用WO₃与氢气发生氧化还原反应放热和PDMS的受热易膨胀性质，改变倾斜布拉格光纤光栅包层模环境，形成氢气传感器。

本发明通过以下技术方案实现：一种基于WO₃的Sagnac干涉型光纤氢气传感器，由宽带光源，光谱仪，单模光纤，光纤耦合器，FC光纤连接器，气室，无芯光纤，氢气流量控制器，空气流量控制器，氢气发生器，空气泵，掺催化剂的WO₃/SiO₂混合膜，PDMS，由飞秒激光刻写倾斜角为1.5°的光纤波导组成；宽带光源发出的光通过单模光纤进入光纤耦合器，后被分成顺时针和逆时针方向的两列光波分别经FC光纤连接器传播，通过涂附掺催化剂的WO₃/SiO₂混合膜包裹的带有由飞秒激光刻写倾斜角为1.5°的光纤波导的无芯光纤，传输一周后，两列光波在光纤耦合器透射端处汇合并发生干涉。连接气室的氢气流量控制器和空气流量控制器分别连接氢气发生器和空气泵，氢气浓度发生变化时，PDMS利用热膨胀性质改变无芯光纤表面折射率，通过计算产生的光程差，测得氢气浓度及其变化量。

本发明的工作原理是：基于光纤萨格纳克干涉的干涉特性，利用黏附在PDMS外的WO₃/SiO₂粉末与氢气发生氧化还原反应，改变涂附掺催化剂的WO₃/SiO₂混合膜包裹的带有由飞秒激光刻写倾斜角为1.5°的光纤波导的无芯光纤表面折射率，检测氢气浓度及其变化量，化学方程式如下：

当没有氢时，WO_3-x可以在空气中氧化成WO₃。因此基于这些反应的氢传感器可以用于重复测量。当WO₃与氢反应时，其光吸收和折射率都会发生变化。

传感部分由单模-无芯-单模结构组成，内部的波导由飞秒激光写入，激光束多为高斯光束，即光束中心的能量密度高于边缘的能量密度。通过调整激光束强度，激光焦点的中心部分刚好满足介质的多光子电离阈值，因此激光与材料实际相互作用的区域仅限于焦点中心周围的一小块区域。

从SMF1的纤芯入射的一部分光被引入到波导中，在波导中它沿着波导结构定义的路径传播，然后返回到另一端的SMF2的纤芯。其余的入射光在SMF-NCF界面发散，部分被另一端的SMF2纤芯收集。在波导端处重新组合的光束产生干涉条纹图。假设I₁和I₂是常数，MZI的输出由

其中I是干涉条纹的强度，λ表示波长，n_C，n_N，和是SMF的纤芯折射率，无芯光纤，单模光纤中的波导和无芯光纤中的波导。

本发明的有益效果是：本发明的设计中基于WO₃的Sagnac干涉型光纤氢气传感器，避免了制作复杂的缺点，能实现快速多次测量，且测量精确度和灵敏度大大提高，具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。

附图说明

图1是一种基于WO₃的Sagnac干涉型光纤氢气传感器结构示意图。

图2是带光纤波导的无芯光纤结构示意图

具体实施方式

如图1,2所示，一种基于WO₃的Sagnac干涉型光纤氢气传感器，由宽带光源1，光谱仪2，单模光纤3，光纤耦合器4，FC光纤连接器5，气室6，无芯光纤7，氢气流量控制器8，空气流量控制器9，氢气发生器10，空气泵11，掺催化剂的WO₃/SiO₂混合膜12，PDMS13，由飞秒激光刻写倾斜角为1.5°的光纤波导14组成；宽带光源1发出的光通过单模光纤3进入光纤耦合器4，后被分成顺时针和逆时针方向的两列光波分别经FC光纤连接器5传播，通过涂附掺催化剂的WO₃/SiO₂混合膜12包裹的带有由飞秒激光刻写倾斜角为1.5°的光纤波导14的无芯光纤7，传输一周后，两列光波在光纤耦合器4透射端处汇合并发生干涉。连接气室6的氢气流量控制器8和空气流量控制器9分别连接氢气发生器10和空气泵11，氢气浓度发生变化时，PDMS13利用热膨胀性质改变无芯光纤7表面折射率，通过计算产生的光程差，测得氢气浓度及其变化量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。